Vodíkové palivo je palivo, které využívá vodík jako látku schopnou uvolňovat energii.
Energie vodíku se rychle rozvíjí.
V Austrálii na hnědém uhlí ve státě Victoria se rozvíjí technologie zplyňování uhlí s následným uvolňováním vodíku, respektive odstraňování síry, rtuti a oxidu uhličitého (CO).2).
V Norsku Nel Hydrogen vyvíjí technologii pro využití obnovitelných zdrojů energie pro vysokoteplotní elektrolýzu k rozdělení vody na vodík a kyslík, které se uvolní do atmosféry.
Kawasaki Heavy Industries vyvíjí pobřežní vodíkový tanker pro přepravu kapalného vodíku (LH2).
- v průmyslu,
- v bytových a komunálních službách pro vytápění domácností.
- čistší výrobní proces;
- nulová kontaminace po likvidaci;
- vyšší hustota energie.
- vodík – 33 kWh/kg;
- baterie – asi 1 kWh / kg); a motorová nafta – asi 12 kWh / kg.
Obsah
- Aplikace vodíku jiné než energetické:
- Vodík
- Výroba vodíku
- Fyzikální vlastnosti
- Chemické vlastnosti
- Geochemie vodíku
- Nebezpečí požáru a výbuchu
- Jak slibné je využití vodíku v ruské energetice? Je třeba si ujasnit, slibovat z jakého hlediska? Ke snížení emisí skleníkových plynů? Pro zodpovězení této otázky je nutné určit, o kterých plynech mluvíme. Hlavními skleníkovými plyny vznikajícími při spalování uhlovodíkových paliv jsou vodní pára a oxid uhličitý. Při spalování vodíku nevzniká oxid uhličitý, ale vzniká vodní pára. Jaký pak má smysl používat vodík jako palivo, pokud jeho použití jako paliva vede k uvolňování vodní páry do atmosféry, což je skleníkový plyn?
- Jak proveditelné je použití zemního plynu k výrobě vodíku, pokud je zemní plyn sám o sobě vynikající palivo?
- Ne místo, ale společně s organickými palivy!
Aplikace vodíku jiné než energetické:
- pro atomově-vodíkové svařování,
- v potravinářském průmyslu jako potravinářská přísada E949 – balicí plyn, pro výrobu margarínu z kapalných rostlinných olejů,
- chemický průmysl – při výrobě čpavku, mýdla a plastů,
- jako raketové palivo.
Vodík
Vodík (H) je nejrozšířenějším prvkem na Zemi, ale za normálních podmínek se nevyskytuje ani jako vodík H ani jako plynný vodík (H2).
Díky svým vlastnostem snadno reaguje s jinými organickými sloučeninami za vzniku například vody (H2Ó).
Při této reakci tvorby vody z vodíku a vzduchu se uvolňuje energie, kterou lze využít jako elektřinu.
Aby byla tato reakce užitečná pro průmyslovou výrobu energie, je nutné vyrábět vodík, například z vody štěpením atomů na kyslík a vodík elektrolýzou.
Existují další technologie:
- pomocí plynů zbylých z chemických procesů, jako je metan, uhlí, ropa a biomasa.
Reakce mezi vodíkem a kyslíkem probíhá za uvolňování tepla.
Pokud vezmeme 1 mol H2 (2 g) a 0,5 mol O2 (16 g) za standardních podmínek a vybuďte reakci, poté podle rovnice H2 + 0,5 O2= H2O po dokončení reakce se vytvoří 1 mol H2O (18 g) s výdejem energie 285,8 kJ/mol.
Pro srovnání: spalné teplo acetylenu je 1300 kJ/mol, propanu 2200 kJ/mol.
1 m³ vodíku váží 89,8 g (44,9 mol), takže na získání 1 m³ vodíku bude vynaloženo 12832,4 kJ energie.
1 kWh = 3600 kJ, získáme tedy 3,56 kWh elektřiny.
Proveditelnost přechodu na vodíkové palivo lze posoudit porovnáním stávajícího tarifu za 1 kWh elektřiny a například nákladů na 1 m³ plynu nebo nákladů na jiný nosič energie.
Při spalování vodíku vzniká čistá voda.
To znamená, že vodíkové palivo se vyrábí bez poškození životního prostředí, na rozdíl od plynu nebo benzínu.
Výroba vodíku
K výrobě vodíku se používají chemické metody včetně rozkladu vody elektrickým proudem.
Hlavní průmyslovou metodou výroby vodíku je reakce metanu, který je součástí zemního plynu, s vodou.
Provádí se při vysoké teplotě:
- 1. Elektrolýza vodných roztoků solí:
2NaCl + 2H2O → H2↑ + 2NaOH + Cl2
- 2. Přechod vodní páry přes horký koks o teplotě asi 1000°C:
- 3. Ze zemního plynu.
Převod páry: CH4 + H2O⇄ CO + 3H2 (1000 °C) Katalytická oxidace kyslíkem: 2CH4 + O.2 ⇄ 2CO + 4H2
- 4. Krakování a reformování uhlovodíků při rafinaci ropy.
- 5. Vliv zředěných kyselin na kovy. K provedení této reakce se nejčastěji používá zinek a kyselina chlorovodíková:
- 6. Interakce vápníku s vodou:
- 7. Hydrolýza hydridů:
- 8.Vliv alkálií na zinek nebo hliník:
- 9.Využití elektrolýzy. Při elektrolýze vodných roztoků zásad nebo kyselin se na katodě uvolňuje vodík, například:
- Bioreaktor na výrobu vodíku
Fyzikální vlastnosti
Plynný vodík může existovat ve 2 formách (modifikace) – ve formě ortho – a para-vodíku.
V molekule ortovodíku (t.t. −259,10 °C, bp −252,56 °C) směřují jaderné spiny shodně (paralelně) a v paravodíku (t.t. −259,32 °C, bp. bod varu -252,89 °C) – naproti sobě (antiparalelní).
Alotropní formy vodíku lze oddělit adsorpcí na aktivním uhlí při teplotě kapalného dusíku.
Při velmi nízkých teplotách je rovnováha mezi ortovodíkem a parahydrogenem téměř úplně posunuta směrem k paravodíku.
Při 80 K je poměr forem přibližně 1:1. Při zahřívání se desorbovaný paravodík přeměňuje na ortovodík, dokud se nevytvoří směs, která je v rovnováze při pokojové teplotě (ortho-para: 75:25).
Bez katalyzátoru probíhá přeměna pomalu, což umožňuje studovat vlastnosti jednotlivých alotropních forem.
Molekula vodíku je dvouatomová – H₂. Za normálních podmínek je to bezbarvý plyn bez zápachu a chuti.
Vodík je nejlehčí plyn, jeho hustota je mnohonásobně menší než hustota vzduchu. Je zřejmé, že čím menší je hmotnost molekul, tím vyšší je jejich rychlost při stejné teplotě.
Jako nejlehčí molekuly se molekuly vodíku pohybují rychleji než molekuly jakéhokoli jiného plynu, a tak mohou rychleji přenášet teplo z jednoho tělesa do druhého.
Z toho plyne, že vodík má mezi plynnými látkami nejvyšší tepelnou vodivost. Jeho tepelná vodivost je přibližně 7x vyšší než tepelná vodivost vzduchu.
Chemické vlastnosti
Molekuly vodíku H₂ jsou poměrně silné a aby vodík mohl reagovat, musí být vynaloženo mnoho energie:
Proto vodík při běžných teplotách reaguje pouze s velmi aktivními kovy, jako je vápník, za vzniku hydridu vápenatého:
Ca+H2 = SaN2 a s jediným nekovem – fluorem, tvořící fluorovodík:
Vodík reaguje s většinou kovů a nekovů při zvýšených teplotách nebo pod jinými vlivy, jako je osvětlení.
Může „odebírat“ kyslík některým oxidům, například:
Psaná rovnice odráží redukční reakci – proces, v jehož důsledku je ze sloučeniny odstraněn kyslík; Látky, které odebírají kyslík, se nazývají redukční činidla (sami oxidují).
Redukční reakce je opakem oxidační reakce.
Obě tyto reakce probíhají vždy současně jako 1 proces: při oxidaci (redukci) jedné látky nutně současně dochází k redukci (oxidaci) jiné.
Tvoří halogenovodíky s halogeny:
F2 + H2 → 2 HF, reakce probíhá explozivně ve tmě a při jakékoliv teplotě, Cl2 + H2 → 2 HCl, reakce probíhá explozivně, pouze na světle.
Při vysoké teplotě interaguje se sazemi:
Oxidy se redukují na kovy:
Geochemie vodíku
Vodík je nejrozšířenějším prvkem a všechny prvky z něj vznikají termonukleárními a jadernými reakcemi.
Na Zemi je obsah vodíku nižší než na Slunci.
Volný vodík H2 V pozemských plynech je poměrně vzácný, ale ve formě vody hraje mimořádně důležitou roli v geochemických procesech.
Vodík může být přítomen v minerálech ve formě amonného iontu, hydroxylového iontu a krystalické vody.
V atmosféře neustále vzniká vodík v důsledku rozkladu vody slunečním zářením.
Migruje do horních vrstev atmosféry a uniká do vesmíru.
Nebezpečí požáru a výbuchu
Vodík po smíchání se vzduchem tvoří výbušnou směs – výbušný plyn.
Největší nebezpečí výbuchu nastává, když je objemový poměr vodíku a kyslíku 2:1 nebo vodíku a vzduchu přibližně 2:5, protože vzduch obsahuje přibližně 21 % kyslíku.
Vodík představuje nebezpečí požáru.
Obrázek z webu ANO „Centrum pro výzkum a vědecký vývoj v oblasti energetiky „Vodíková technologická řešení“
Jak slibné je využití vodíku v ruské energetice? Je třeba si ujasnit, slibovat z jakého hlediska? Ke snížení emisí skleníkových plynů? Pro zodpovězení této otázky je nutné určit, o kterých plynech mluvíme. Hlavními skleníkovými plyny vznikajícími při spalování uhlovodíkových paliv jsou vodní pára a oxid uhličitý. Při spalování vodíku nevzniká oxid uhličitý, ale vzniká vodní pára. Jaký pak má smysl používat vodík jako palivo, pokud jeho použití jako paliva vede k uvolňování vodní páry do atmosféry, což je skleníkový plyn?
Jak proveditelné je použití zemního plynu k výrobě vodíku, pokud je zemní plyn sám o sobě vynikající palivo?
Zemní plyn je přepravován v plynné formě potrubím a ve zkapalněné formě (LNG) pomocí plynových nosičů při teplotě -162°C. Přeprava vodíku na velké vzdálenosti ještě nebyla vyvinuta. Je zřejmé, že náklady na uměle vyrobený vodík by měly být vyšší než náklady na organická paliva, která se vyrábějí téměř připravená k použití. V souladu s tím by náklady na elektrickou a tepelnou energii získanou pomocí vodíku měly být vyšší než náklady na elektřinu vyráběnou tradičními tepelnými elektrárnami. Je zřejmé, že náklady na LNG by měly být vyšší než náklady na plynovodní plyn, protože zkapalňování plynu vyžaduje další energii.
Z hlediska kvality energie lidstvo nepřišlo na lepší nosič energie, než je elektřina. Při použití elektřiny k výrobě vodíku elektrolýzou vody se energetická hodnota výsledného nosiče energie sníží o 34 %. K výrobě jednoho kilogramu vodíku elektrolýzou je potřeba asi 50 kWh elektřiny a 9 litrů deionizované vody.
Nejnižší výhřevnost jednoho kilogramu vodíku je 120 MJ, tedy 33 kWh. Protože energetická hodnota vody bez zohlednění její entalpie je rovna 0, pak vynaložením 1 kWh elektřiny na výrobu 50 kg vodíku získáme 33 kWh tepelné energie. V důsledku toho bude transformační koeficient procesu elektrolýzy roven 0,66.
Vodík získaný ze zemního plynu pyrolýzou se podle mezinárodní klasifikace nazývá „tyrkysový“. Během pyrolýzy molekuly metanu (CH4) se rozkládají na molekuly uhlíku (C) a vodíku (H2).
Rozlišují se následující hlavní typy pyrolýzy:
- Plazma. Elektřina se používá k výrobě plazmy. Teplota v reaktoru je 2000 °C. Tlak je atmosférický.
- Ve fluidním loži při teplotě 900 °C. Tlak je atmosférický.
- V roztaveném kovu nebo soli. Teplota v reaktoru je 650÷1100°C. Tlak – do 5 barů.
- Pulzní spalování metanu (PMC). Teplota v reaktoru je 1200÷1500°C. Tlak – do 20 bar.
K výrobě jednoho kilogramu vodíku (H2) vyžaduje čtyři kilogramy metanu (CH4). Nejnižší výhřevnost jednoho kilogramu vodíku je 120 MJ (33,3 kWh). Spodní výhřevnost 4 kg metanu je 200 MJ (55,6 kWh). To znamená, že energetická hodnota vodíku získaného pyrolýzou je 60 % energetické hodnoty suroviny. Tento odhad byl proveden bez zohlednění energetických nákladů na štěpení metanu.
K výrobě 1 kg vodíku plazmovou pyrolýzou je potřeba asi 15 kWh elektřiny.
Energetická hodnota jednoho kilogramu vodíku získaného plazmovou pyrolýzou tak bude činit 47 % součtu spalného tepla 4 kg metanu a elektrické energie vynaložené na výrobu vodíku.
Na základě výše uvedené elementární analýzy má vodík vyrobený elektrolýzou vody vyšší energetickou hodnotu než vodík vyrobený plazmovou pyrolýzou.
otázka: Jaký smysl má přeměna kvalitní elektřiny na vodík s negativním energetickým výsledkem?
odpověď: Má smysl vyrábět vodík pouze pomocí elektřiny, o kterou není aktuálně poptávka, vyráběné prostřednictvím obnovitelných zdrojů energie (OZE).
Například v noci má spotřeba elektřiny tendenci klesat. Za přítomnosti větru je možné nezastavovat větrné generátory, ale vyrábět vodík, který lze použít k výrobě elektrické nebo tepelné energie v obdobích, kdy je energie nedostatek.
Slibné je využití vodíku k výrobě energie v regionech, kde se k výrobě energie používá drahé dovážené palivo. Čím dražší je dovážené palivo, tím lepší je ekonomika používání vodíku.
Je důležité si uvědomit, že se nenavrhuje náhrada uhlovodíkového paliva vodíkem, ale společné spalování vodíku, který by měl vzniknout v místě jeho spotřeby, a dováženého paliva.
Ne místo, ale společně s organickými palivy!
V tomto případě spalování vodíku sníží spotřebu drahého dováženého paliva. Důležitou technickou otázkou je stanovení přípustného podílu vodíku na celkové spotřebě paliva v konkrétních elektrárnách, jako jsou jednotky s plynovou turbínou (GTU), plynové pístové jednotky (GPU), horkovodní a parní kotle.
Podle komplexního programu rozvoje nízkouhlíkového vodíkového energetického průmyslu v Ruské federaci na období do roku 2050 se „na území Ruské federace nachází velké množství technologicky a geograficky izolovaných a vzdálených systémů zásobování energií, jehož významná část se nachází na Dálném východě nebo Dálném severu.
Energetický sektor v izolovaných a odlehlých oblastech je zpravidla založen na dálkovém kapalném palivu se složitým, pracným a sezónním způsobem dodávky (vysoká složka dopravy), což vede k vysokému podílu palivové složky na elektřině. Výroba.
Konstrukční vlastnosti syngasu:
Objemová spodní výhřevnost – 88,6 MJ/m 3
Hmotnostní nižší výhřevnost – 39,8 MJ/kg
Nejnižší Wobbeho číslo – 67,5 MJ/m3
Nejvyšší Wobbeho číslo je 69,5 MJ/m3
Náklady na dodávky energie do těchto oblastí jsou extrémně vysoké. Ušlé příjmy organizací zásobujících zdroje jsou kompenzovány z regionálního rozpočtu, objem těchto rozpočtových výdajů ve vzdálených územích se odhaduje na přibližně 60–65 miliard rublů. v roce.
Snížení objemu dotací se může stát jedním z klíčových úkolů státu ve vztahu k zajištění dodávek energie do odlehlých oblastí spolu se zvýšením spolehlivosti dodávek energie spotřebitelům a snížením negativních dopadů na životní prostředí.
Vodíkové zdroje energie by se mohly stát jedním ze slibných řešení problému dodávek energie do izolovaných území a území, pro která byly stanoveny zvláštní ekologické požadavky, zejména v arktické zóně Ruské federace.
Experimentální studie ukázaly, že spalování směsi metanu a vodíku s objemovou koncentrací vodíku 22 % v kondenzačním kotli vedlo ke snížení emisí oxidu dusnatého (NO) a oxidu uhelnatého (CO). Výzkum byl proveden na objednávku ANO “VTR” na experimentálním stánku Moskevského energetického inženýrského institutu (MPEI). Hlavní výsledky studií jsou uvedeny v tabulkách 1, 2 a 3.
Analýza výsledků ukazuje, že přidání vodíku o objemové koncentraci 22 % k metanu vede ke snížení emisí škodlivých látek do atmosféry, jako jsou oxidy dusíku a oxid uhelnatý.
To znamená, že přidávání vodíku do zemního plynu vede nejen ke snížení spotřeby zemního plynu, ale i ke snížení emisí škodlivých látek do ovzduší!
Plyn obsahující vodík lze získat pyrolýzou syntézního plynu (syngas), který vzniká při pyrolýze tuhého komunálního odpadu (TKO), který vzniká v odlehlých obydlených oblastech.
Přímé použití syntézního plynu jako paliva pro elektrárny spalující zemní plyn je problematické, protože vlastnosti tohoto plynu se výrazně liší od vlastností zemního plynu.
- Přímé spalování.
- Míchání se zemním plynem.
- Pyrolýza syngasu.
- Parní reformování syngasu.
Přímé spalování syntézního plynu vyžaduje vývoj hořákových zařízení schopných spalovat tento typ paliva.
Při smíchání syntézního plynu se zemním plynem v objemu do 10 % (obj.) se vlastnosti směsi budou mírně lišit od vlastností zemního plynu.
Míchání syntézního plynu se zemním plynem v objemu 6,5 % sníží spotřebu drahého dováženého LNG o 15 %, protože objemové spalné teplo syngasu je 2,3krát vyšší než objemové spalné teplo zemního plynu.
Složení syngasu se může měnit při jeho pyrolýze. Při vysokých teplotách se uhlovodíky obsažené v syntézním plynu rozloží na vodík a uhlík. Když je ze syntézního plynu odstraněn uhlík, jeho objemové spalné teplo a Wobbeho číslo se sníží. Během procesu parního reformování se v syngasu tvoří vodík a další oxid uhličitý, který je nutné zachytit a pohřbít.
Volba konkrétní technologie výroby vodíku nebo směsi metanu a vodíku za účelem snížení spotřeby dováženého paliva a zlepšení ekologických charakteristik elektráren musí být provedena s přihlédnutím ke konkrétním podmínkám.
M. A. SAVITENKO, ředitel ANO „Centrum výzkumu a vědeckého rozvoje v oblasti energetiky „Vodíková technologická řešení“,
B. A. RYBAKOV, Ph.D., SK-Engineering LLC
Energie z vodíku pro odlehlé oblasti Kód PHP ” data-description=”Jak slibné je využití vodíku v ruském energetickém sektoru? Je třeba si ujasnit, slibovat z jakého hlediska? Snížit emise skleníkových plynů? Pro zodpovězení této otázky je nutné určit /upload/iblock/c447d/duf5007481v5jfdkfxa3g5mzhus1izqntfx1r/spec2.jpg” >
Odeslat na email
16.11.2023. 14. 58 05:1529:XNUMX Elena Voskanyan XNUMX
Efektivní přeměna distribuované energie, která je dostupná všude od lidské činnosti a vibrací strojů až po mořské vlny, na elektrickou energii je složitý úkol. Rozhodl o tom zakládající ředitel Pekingského institutu nanoenergie a nanosystémů Čínské akademie věd Zhong Lin Wang.
Obnovitelné zdroje energie (OZE), Nové technologie, Autonomní zásobování energií
16.11.2023 06:30:16 Jevgenij Gerasimov 607
Řízení vědeckého a technologického rozvoje palivového a energetického komplexu v Rusku. Prioritní technologie pro elektroenergetiku, zejména v oblasti digitální transformace. Stávající regulační rámec a mechanismy mezistátní technologické koordinace a průmyslové spolupráce v rámci euroasijské integrace.
O těchto a dalších tématech diskutovali účastníci sekce „Vývoj perspektivních energetických technologií – „okno příležitosti“ pro Ruskou federaci.
Ministerstvo energetiky, digitalizace, vědy, rozvoje energetiky
19.10.2023. 18. 51 37:3185:XNUMX Maria Plyukhina XNUMX
Národní energetická společnost Abu Dhabi se připravuje na uvedení solární farmy o výkonu 2 GW do provozu. Stane se čtvrtým největším producentem energie na světě, za čínským Qinghai Golmud (2,8 GW) a indickým Bhadla (2,25 GW) a Pavagada (2,05 GW).
Dekarbonizace, vodíková energie, solární energie
19.10.2023 13:23:26 Alena Bekhmetyeva 1881
Otázka placení rezervy sítě nevyužité kapacity je diskutována již více než 10 let. V září 2023 se pokračovalo – šéf Rosseti PJSC Andrei Ryumin oslovil prezidenta Ruské federace s návrhem na převedení nových velkých klientů k platbám za služby na základě maximálního výkonu deklarovaného při technologickém připojení k rozvodným sítím.
Elektrické sítě, Rosseti, Distribuované zdroje energie, Technické připojení, Tarify elektřiny
19.10.2023. 12. 27 57:2243:XNUMX Elena Voskanyan XNUMX
Problém dodávek energie do izolovaných a odlehlých osad není nový, ale stále je aktuální a společenský. Odborníci nastínili úskalí práce na takových územích a navrhli možná řešení situace.
Distribuované zdroje energie, Výroba, Obnovitelné zdroje energie (OZE), Energetika, Modernizace v energetice, LNG
06.10.2022. 04. 14 54:1293:XNUMX XNUMX
Rosseti Lenenergo je jednou z největších společností v oblasti elektrické sítě v regionu Severozápad, která obsluhuje plochu téměř 86 tisíc metrů čtverečních. km s populací 7,2 milionu lidí.
Elektrické sítě, Rosseti, Technické připojení, Investice
06.10.2022. 02. 57 04:1766:XNUMX XNUMX
Vědecký ředitel kompetenčního centra „Technologie nových a mobilních energetických zdrojů“, ředitel Centra pro vodíkovou energii ve společnosti Sistema JSFC Jurij Dobrovolskij se domnívá, že Rusko se musí zapojit nejen do vývozu ekologického paliva, ale také technologií pro jeho výrobu. .
Vodíková energie, Obnovitelné zdroje energie (OZE), Distribuované zdroje energie
05.10.2022. 10. 31 19:1445:XNUMX XNUMX
Podnik, který pěstuje potěr jesetera a jesetera, získal další kapacitu.
Rozvodny, Technické připojení, Transformátory
05.10.2022. 11. 37 35:1277:XNUMX XNUMX
Petrohrad je jedním z lídrů inovativního rozvoje v Rusku. Klíčem k úspěchu v této oblasti je zavedení pokročilého vývoje. V moderních ekonomických podmínkách to vyžaduje kombinaci tří faktorů: přítomnost průlomových nápadů, investice do jejich rozvoje a také podniky, které jsou spotřebiteli inovativního vývoje. Neméně důležitá je ale politika státu a subjektu Federace, která nám umožňuje tyto složky propojit.
05.10.2022. 10. 37 13:995:XNUMX XNUMX
Energetickí pracovníci zvýšili spolehlivost dodávek energie do jediného města na světě ležícího na polárním kruhu.